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基于激励响应的输油管道泄漏检测技术研究

作　者: 王通
导　师: 阎祥安
学　校: 天津大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 输油管道泄漏检测激励响应小波变换检测系统 Matlab Web Server
分类号: U178
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

管道运输业已成为国民经济中与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。随着管道的增多,管龄的增长,由于施工缺陷和腐蚀穿孔、突发性自然灾害以及人为破坏等都会造成管道泄漏,给人们的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。为了确保管道安全运行和减少泄漏事故危害,研究具有更高可靠性和准确性的泄漏检测技术,具有重要的理论意义和应用价值。本文在参阅大量国内外有关流体力学、流体网络理论、瞬变流计算方法、小波理论、信号处理技术等相关理论和技术的基础上,提出了基于激励响应方法的管道泄漏检测技术。对与该技术相关的理论和方法进行了深入研究,主要内容包括:1、综述输油管道泄漏检测技术的发展概况及本课题研究的目的意义,概述管道流体力学的各种数值计算方法,推导了流体管道数学模型及统一表达式。2、提出了将阀门快速部分关闭,引起管道流体波动,根据激励响应压力信号检测管道泄漏的新方法激励响应法。在时域中应用行波计算方法,定义了负压波反射系数,推导并简化了负压波反射系数表达式,根据此式在理论上能够得到管道泄漏点的全部信息(泄漏点位置和泄漏量大小)。3、基于激励响应法,应用脉冲响应方法和卷积定理得出了管道末端压力响应在频域中的表达式,此式表明:传递函数只与系统的特性相关,流量变量的傅立叶变换只与操作特性相关,且压力频域响应与流量变量的傅立叶变换为线形关系,根据此式在理论上能够得到管道泄漏点的重要信息(泄漏点位置)。4、利用小波分析的时频双重局部化特性,对得到的时域压力响应信号作小波分解,应用小波变换对信号去噪,并通过判断小波变换模最大值点来确定压力信号奇异点位置,准确捕捉负压波到达时间,从而判断出泄漏点的准确位置。5、讨论了输油管道泄漏检测系统的总体构成及功能。提出了通过应用Matlab Web Server方法解决基于Web的远程监测、分析与诊断系统开发的方案。开发了基于Matlab Web Server的输油管道泄漏检测系统。本系统实现了异地检测数据传输、数据分析、泄漏检测、检测结果网络输出等功能。本文通过模拟管道系统进行了实验,实验结果表明激励响应方法的可行性和正确性。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章概论  10-20
  1.1 管道运输的发展状况和面临的问题  10-11
  1.2 管道泄漏检测技术综述  11-15
    1.2.1 基于生物的方法  12
    1.2.2 声学法  12-13
    1.2.3 气体法  13
    1.2.4 放射物法  13
    1.2.5 压力波法  13-14
    1.2.6 流量/压力变化法  14
    1.2.7 质量/体积平衡法  14
    1.2.8 压力点分析(PPA)方法  14
    1.2.9 瞬变模型法  14-15
  1.3 管道泄漏检测技术国内外研究现状  15-18
    1.3.1 管道泄漏检测技术国外研究现状  15-17
    1.3.2 管道泄漏检测技术国内研究现状  17-18
  1.4 本文研究的意义和主要工作  18-20
第二章管道泄漏检测技术的理论基础  20-29
  2.1 圆形管道流体流动的基本假设和流体力学的基本方程  20-21
  2.2 流体管道数学模型及统一表达式  21-25
    2.2.1 无损流体管道数学模型  21-23
    2.2.2 平均摩擦管道数学模型(均匀绝热)  23
    2.2.3 分布摩擦管道数学模型(尼科尔—布朗模型)  23-25
    2.2.3 管道模型统一数学表达式  25
  2.3 瞬变模型的各种求解方法  25-27
    2.3.1 瞬变模型的时域求解方法  26-27
    2.3.2 瞬变模型的频域求解方法  27
  2.4 激励响应法管道泄漏检测中的关键技术  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章基于激励响应的管道泄漏检测技术  29-51
  3.1 激励响应法在时域中的泄漏检测原理及定位公式  29-39
    3.1.1 泄漏检测原理  29-30
    3.1.2 激励压力波的折射和反射  30-32
    3.1.3 时域泄漏信息的表达式  32-36
    3.1.4 基于激励响应法的管道泄漏检测的计算实例  36-39
  3.2 激励响应法在频域中的泄漏检测原理  39-45
    3.2.1 一维管道频域基本方程及传递函数  40-42
    3.2.2 流体瞬变计算的脉冲响应方法  42-45
  3.3 应用传递函数频谱分析的管道泄漏检测  45-49
    3.3.1 管道无泄漏的传递函数频谱分析  45-46
    3.3.2 管道有泄漏的传递函数频谱分析  46-49
  3.4 管道泄漏检测中的快速富立叶变换(FFT)  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章小波变换及其在管道泄漏检中的应用  51-62
  4.1 富立叶变换和小波变换在信号分析方面的异同  51-55
    4.1.1 富立叶变换和加窗富立叶变换在信号分析方面的不足  51-54
    4.1.2 小波变换在信号分析方面的优异性  54-55
  4.2 小波变换用于压力信号的消噪  55-57
    4.2.1 信号小波消噪的原理  55-56
    4.2.2 信号小波消噪的步骤和方法  56-57
  4.3 压力信号瞬态特征的小波变换表示  57-60
    4.3.1 信号奇异性与李氏指数(即李普西兹指数英文简称L.E)的关系  57-58
    4.3.2 压力信号奇异点的小波检测  58-60
  4.4 应用小波变换分析实验压力信号  60-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章激励响应法输油管道泄漏检测实验  62-75
  5.1 概述  62
  5.2 实验设备与检测系统  62-65
    5.2.1 实验设备  62-63
    5.2.2 检测系统  63-65
  5.3 实验方案及数据采集与处理  65-73
    5.3.1 实验方案  65-66
    5.3.2 数据采集与处理  66-73
  5.4 实验结果  73-74
  5.5 本章小结  74-75
第六章基于Matlab Web Server的输油管道泄漏检测系统的设计与实现  75-87
  6.1 输油管道泄漏检测系统的总体设计及功能  75-78
    6.1.1 长距离输油管道的系统构成  75
    6.1.2 输油管道泄漏检测系统的总体设计  75-76
    6.1.3 输油管道泄漏监测系统的功能  76-78
  6.2 输油管道泄漏网络检测系统的应用  78-80
    6.2.1 Matlab Web Server的组成  78-79
      6.2.1.1 Matlab Server  78-79
      6.2.1.2 Matweb  79
      6.2.1.3 Matweb.m  79
      6.2.1.4 Matweb.conf  79
    6.2.2 Matlab Web Server的工作流程  79-80
  6.3 基于Matlab Web Server的输油管道泄漏检测系统的实现  80-86
    6.3.1 Web服务器和MATLAB Web Server配置  80-81
      6.3.1.1 服务器的配置  80
      6.3.1.2 设置CGI的执行权限  80
      6.3.1.3 设置输出结果映射路径  80
      6.3.1.4 配置MATLAB Web Server的系统配置文件  80
      6.3.1.5 配置应用程序信息  80-81
    6.3.2 编写应用程序  81-86
      6.3.2.1 获取输入参数的MATLAB程序  81-83
      6.3.2.2 参数的接收  83
      6.3.2.3 数据的计算与输出  83-86
  6.4 本章小结  86-87
第七章全文总结  87-89
  7.1 结论  87-88
  7.2 创新点  88
  7.3 工作展望  88-89
参考文献  89-97
攻读博士学位期间公开发表的论文和完成的科研项目  97-99
致谢  99

基于激励响应的输油管道泄漏检测技术研究

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